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Patogenicidade e fatores de virulência: bacteriana Fixar no local- 1º passo: adesão Sobreviver no local da infeção o Nutrientes o Captar elementos como o ferro (necessário para o hospedeiro) o Invadir para outros locais pode ser necessário para a sobrevivência da bactéria Por vezes, os próprios mecanismos de defesa do hospedeiro criam dano no tecido Adesão Ligação da bactéria a células do hospedeiro mediada por adesinas. Adesinas – estruturas de superfície da célula que interagem com recetores das células do hospedeiro. ▪ Podem estar presentes nas fímbrias, flagelos, cápsula ou outras estruturas. ▪ Compostas na sua maioria por glicoproteínas e lipoproteínas - ácidos lipoteicóicos e lipopolissacarídeos da parede celular. Saliva e lágrimas com lisozima são fatores de proteção→ degradam peptidoglicano Produção de enzimas ajuda a destruir tecidos, ajuda à invasão O sucesso de uma bactéria no processo infecioso depende de • fixar-se no local •perceber o ambiente, • ativar genes de virulência, • mover-se e sobreviver no local da infeção, •captar nutrientes (especialmente ferro), evadir-se para células e órgãos, • evitar o sistema imune do hospedeiro, • interferir na sinalização e citoesqueleto das células do hospedeiro •causar lesões teciduais. •implica a colonização, multiplicação, invasão ou a permanência dos microrganismos patogénicos no hospedeiro. Infeção •quando se verifica uma alteração do estado normal do organismo. Doença •modo como se origina e desenvolve a doença. Patogénese •habilidade de um microrganismo para causar infeção, através dos seus mecanismos de virulência. Patogenecidade •grau de patogenicidade de um microrganismo. Virulência Infeção não implica, necessariamente, que evolua para a doença infeciosa (depende, por exemplo, da reação do próprio hospedeiro) 1. Adesão 2. Invasão 3. Produção de toxinas 4. Produção de enzimas 5. Estratégias para captação de nutrientes 6. Estratégias de evasão das defesas do hospedeiro Fímbrias (pili) Flagelo Adesinas Fimbriais Glicocálice/Cápsula Proteínas de superfície (proteína Opa (“opacity associated protein”)) Adesinas não fimbriais Bactérias que sejam nutricionalmente exigentes não vão sobreviver à superfície da pele, pois não existem nutrientes suficientes Reprodução→ Pilis Adesão Via Fímbrias FÍMBRIAS E PILI ❖ Apêndices finos (3 a 10nm), retos e curtos ❖ Natureza protéica – pilina ❖ Numerosas – 100/célula ❖ Função: o Adesão específica (fator de colonização) o Adesão para conjugação bacteriana (Pili F ou sexual) Fímbrias→ glicoproteínas que se vão ligar a açúcares como a manose, galactose. Podemos encontrar alternativas às adesinas Bactérias ≠ → Adesinas ≠ Fímbrias do tipo I o flexíveis e reconhecem a D- manose.Têmcapacidade para aglutinarGR o Escherichia coli / Klebsiella / Salmonela / Vibrio / outras enterobactérias Fímbrias do tipo P - rígidas e ligam-se ao glicolípido Gal a-(1-4)- Gal. Codificadas no operão Pap. Associadas a pielonefrite. o Escherichia coli Fímbrias do tipo II – variante antigénicas das fímbrias do tipo I (não hemaglutinantes) o Escherichia coli e Salmonella Fímbrias do tipo IV - contêm um aminoácido terminal fenilalanina metilada Pseudomonas, Vibrio, Moraxella e Neisseria Fímbrias do tipo S – unem-se a resíduos terminais do ác. Siálico nas células epiteliais e fagócito. Neisseria meningitidis tem adesinas: •Fimbriais •Não fimbriais: Proteína Opa Adesinas e recetores variam estruturalmente entre estirpes e células hospedeiras São alvos para interferir na adesão e controlar infeções Tipo de fímbrias de acordo com a sensibilidade com o monossacarídeo manose Manose sensíveis (MS) Ligam-se a recetores contendo manose Manose resistentes (MR) Ligam-se a recetores específicos que não contêm manose Tipo I Tipo P Tipo II Tipo IIITipo IV Tipo S Pili Sexual Pilina É uma lectina. Pertence à classe de proteínas com capacidade de ligação a cadeias de polissacarídeos (presentes na membrana citoplasmática da célula hospedeira) ❖ A maioria das bactérias mencionadas são Gram- negativas. Escherichia coli de ITU expressa pili tipo I, que se liga a recetores de manose no epitélio vesical. Shigella, Salmonella e Yersinia têm fímbrias que se ligam às células M do cólon. Shigella, Salmonella e Yersinia As fímbrias ligam-se às células M do cólon Provocam a própria endocitose, entrando na célula e replicando-se Estas bactérias criam desregulação na concentração de iões e, consequentemente, na osmose As bactérias encontram uma via de alterar o AMPcíclico • Para algumas espécies (p. ex. N. gonorrhoeae, Neisseria meningitidis e E. coli enteropatogénica), as fímbrias são fundamentais à aderência às células epiteliais da mucosa. • Para outras espécies, como a P. aeruginosa as fímbrias medeiam apenas parcialmente a aderência das células aos tecidos do hospedeiro FLAGELOS ❖ Estruturas longas, delgadas e relativamente rígidas ❖ Espessura 20 nm ❖ Proteína globular – flagelina ❖ Função: o Locomoção bacteriana o Auxilia na adesão GLICOCÁLICE CÁPSULA ❖ Camada fina bem delimitada e firmemente aderido à parede celular ❖ Natureza: - Polissacarídica (SPE – Substância Polimérica Extracelular) (maioria) o Polipeptídica (Bacillus anthracis = D- glutâmico) (minoria) ❖ Antigénio K (ácido siálico) e M (ácido colánico) ❖ Função: o Adesão inespecífica o Proteção contra a fagocitose (vai mascarar moléculas que seriam reconhecidas pelas células imunológicas) A cápsula pode servir como reserva de nutrientes para Streptococcus mutans e proteger contra dessecação, retendo água. Sua viscosidade também pode limitar o movimento de nutrientes para a célula. Polímero viscoso e gelatinoso que circunda as células, composto por polissacarídeo e/ou polipeptídeo: •Cápsula •Camada viscosa ou limosa E. Coli pode ter 2 tipos de fímbrias: tipo I e tipo P Deste modo, vai ter maior virulência BIOFILMES Formação biofilme Pode ocorrer rompimento do biofilme, resultando em bactérias livres que se podem ligar a outros locais Substância viscosa forma de proteção para antibióticos→ uso de enzimas para perfuração do biofilme e ganhar sítios para o atb atuar • Staphylococcus • Pseudomonas: responsável pelos biofilmes na fibrose cística PROBLEMÁTICA DOS BIOFILMES ❖ Inibição da adesão: Bloqueio da adesão inicial das bactérias à superfície, impedindo a formação do biofilme. ❖ Rompimento da comunicação bacteriana (Quorum Sensing): Interferência na comunicação entre as bactérias para evitar a maturação do biofilme. Natureza: - Polissacarídica (SPE – Substância Polimérica Extracelular) (maioria) Responsável Formação de Biofilmes Os biofilmes residem numa matriz constituída essencialmente por polissacarídeos, proteínas, águae DNA. A comunicação química entre as células (quorun sensing) permite às bactérias coordenarem a sua atividade e se agruparem em comunidades que proporcionam benefícios. Os biofilmes são sistemas biológicos, em que as bactérias são organizadas numa comunidade funcional coordenada para desenvolver tarefas complexas. 1) Adesão aleatória e reversível 2) Transição do estágio reversível para o irreversível. Início da formação de microcolónias 3) Expansão: desenvolvim ento da arquitetura do biofilme 4) Maturação 5) Dispersão Cerca de 80% das infeções estão ligadas a biofilmes (otites, endocardites, conjuntivites e vaginites), sendo os principais focos de microrganismos a pele, mucosas, profissionais de saúde e o ambiente. Microrganismos como S. epidermidis, P. aeruginosa, Candidasp., Enterococcus spp., K. pneumoniae, S. aureus e E. coli estão associados a biofilmes. Infeções associadas a cuidados de saúde (IACS) estão frequentemente ligadas a biofilmes em dispositivos médicos e implantes cirúrgicos. Infecções humanas associadas à formação de biofilmes incluem cárie dentária (Streptococcus spp.), periodontite (bactérias anaeróbias Gram-negativas), otite média (Haemophilus influenzae), fibrose cística (Pseudomonas aeruginosa), endocardite (Streptococcus e Staphylococcus spp.), e infeções relacionadas a dispositivos médicos como lentes de contato, cateteres e válvulas cardíacas (Staphylococcus spp., Pseudomonas aeruginosa, cocos Gram-positivos, bacilos Gram-negativos, entre outros). Estirpes de E. coli enteropatogénicas, causadoras de doenças gastrointestinais, possuem adesinas que aderem a células específicas no intestino delgado. ❖ Erradicação de biofilmes maduros: Tratamentos mais agressivos para destruir biofilmes formados, combatendo sua resistência. • Possuem em comum um resíduo de ácido aspártico ou de ácido glutámico exposto • Sequência arginina-glicina-ácido aspártico (Arg-Gly-Asp ou RGD) A cápsula: o Serve como defesa da célula, impedindo a fagocitose. o Apresenta antigenicidade específica. o Algumas bactérias têm uma cápsula com antigenicidade, logo podemos ter anticorpos anti-cápsula. Deste modo, teremos garantida a opsonização INVASÃO • Ocorre em células não-fagocitárias INVASINAS Proteínas extracelulares que promovem a invasão bacteriana ativam sinais que induzem a célula hospedeira a internalizar a bactéria, utilizando o citoesqueleto (actina e proteínas associadas). Elas interagem com integrinas e caderinas, transmitindo sinais bioquímicos e força mecânica entre a membrana celular e o citoesqueleto. O alvo mais comum dessas proteínas são as integrinas da classe αβ5 beta1, que se ligam à fibronectina. A) Alterações na actina formam pseudópodos que envolvem as bactérias. Após a ingestão, elas saem da vesícula por degradação da membrana ou formação de poros, ficando livres no citoplasma, protegidas de anticorpos, complemento e alguns antibióticos B) Entrada direta na célula: Bactérias intestinais usam invasinas para se ligarem às integrinas das células mucosas e fagocitárias, permitindo a entrada direta na célula sem passar pelo fagossoma PROTEÍNAS ADESIVAS - com capacidade de ligação a proteínas da matriz extracelular humana •Fibrina •Fibronectina •Fibrinogénio •Laminina •Colagénio • Presente nas bactérias Grampositivo • Ácido teicóico ligado aos lípidos na membrana citoplasmática e projetados para fora da parede. Ácidos lipoteicóicos • Ligação à fibronectina - proteína encontrada em muitas células das mucosas • Streptococcus Proteína M • Ligação ao fibrinogénio • Staphylococcus aureus - forma agregados que dificultama fagocitose. Clumping factor C o m o a s b ac té ri as u lt ra p as sa m a s d ef es as d o h o sp ed ei ro Cápsula Componentes da parede celular Enzimas Variação antigénica Invasinas Crescimento intracelula Componentes da parede celular LPS – toxicidade e atividade pirogénica Proteína M – adesão e fagocitose Lipídos – resistem à digestão fagocítica, permitindo amultiplicação no seu interior. PRODUÇÃO DE ENZIMAS Enzimas hidrolíticas que degradam componentes da matriz extracelular Coagulase Coagula o fibrinogénio no sangue, forma coágulo. Protege a bactéria da fagocitose e isola-a de outras defesas do hospedeiro Formação de microcoágulos ao redor da bactéria, permitindo-lhes estarem mascaradas de células imunológicas até encontrarem um local propício ao seu crescimento. Quinase Degrada a fibrina e digere coágulos formados pelo organismo para isolar a infeção. Estafilocinase – Staphylococcus aureus Estreptoquinase (fibrinolisina) – Streptococcus pyogenes Hialuronidase Hidrolisa o ácido hialurónico, polissacarídeo envolvido na junção de células (tecidos conectivos). Conduz à necrose de feridas infetadas. Colagenase Hidrólise do colagénio que forma os tecidos conectivos de músculos e outros tecidos e órgãos. Células do hospedeiro tornam-se fracamente aderidas→ disseminação da bactéria. A hialuronidase e colagenase degradam moléculas específicas para impedir as bactérias de invadirem tecidos mais profundos. Protease IgA Capacidade de destruir anticorpos – imunoglobulinas classe A (presentes em mucosas) Permite a adesão do mo às mucosas o Neissseria gonorrhoeae o Neisseria meningitidis A virulência de algumas é auxiliada pela produção de enzimas extracelulares (exoenzimas) e substâncias relacionadas: • Coagulase • Quinases • Hialuronidase • Colagenase • Protease • Lisinas: leucocidinas e hemolisinas Dano Direto ▪ Resulta da adesão ao hospedeiro. ▪ Ocorre por extração de nutrientes e liberação de resíduos tóxicos. ▪ A multiplicação intracelular pode romper células, liberando bactérias e facilitando a disseminação. ▪ E. coli, Shigella, Salmonella e N. gonorrhoeae induzem fagocitose, podendo lisar células ao atravessá-las. Produção de toxinas Proteínas solúveis excretadas pelas bactérias, Gram negativo e Gram positivo (produzem no momento, não tendo capacidade de reserva), durante a fase exponencial de crescimento ❖ Exotoxinas→ resposta específica • Produzidas internamente e secretadas para o meio exterior. • Não fazem parte da estrutura celular ❖ Endotoxinas (Gram -) → resposta generalizada • São componentes estruturais da parede bacteriana. • Libertadas após a lise celular Exotoxinas Tipo A e B Estrutura dimérica - 2 subunidades proteicas separadas: • A fração B - liga-se ao recetor da célula • A fraçãoA - com atividade enzimática – ação toxigénica Remoção do grupo ADP-ribosil do NAD e ligação covalente a uma proteína da célula → inativação proteica, provocando uma paragem da síntese proteica Como as bactérias danificam as células do hospedeiro •Dano direto •Toxina •Sideróforos (captação de ferro) •Conversão lisogénica •Efeitos citopáticos •Toxinas Tipo A e B •Citotoxinas •Superantigénios Exotoxinas •Lipopolissacarídeo (LPS) Endotoxinas Toxina A (P. aeruginosa) Toxina diftérica (C.diphtheriae) Toxina pertussis (B. pertussis) Toxina colérica (V. cholerae) Toxina LT (E.coli) Toxina botulínica (C. botulinum) Toxina tetânica: liga-se às clls nervosas- contração muscular incontrolável Neurotoxina- Clostridium Botulinum Toxina botulínica- age nas junções neuromusculares e impede a transmissão de impulsos para o músculo (não se contrai) Citotoxinas Danificam a membrana citoplasmática causando lise da célula hospedeira. Superantigénios Moléculas que ativam as células T ❖ São proteínas bacterianas que provocam uma resposta imunológica muito intensa ❖ Não são processados por digestão proteolítica dentro das células apresentadoras de antigénios (APC) Endotoxinas As endotoxinas comparadas com as exotoxinas são: ▪ menos potentes e com menor especificidade de ação ▪ não têm atividade enzimática ▪ termoestáveis ▪ degradam-se por ação de agentes oxidantes: peróxido, hipoclorito ▪ fortemente antigénicas Lipopolissacarídeo Lipídeo A - fração tóxica da molécula Ativa o complemento pela via alternativa e estimula a atividade das citoquinas Antigénio O e o core - propriedades imunogénicas Toxina de Staphylococcus aureus: formam poros - libertação do conteúdo celular e influxo de compostos extracelulares - lise celular Ligam-se diretamente ao complexo MHC II à superfície das APC e às células T helper. Libertação de uma grande quantidade de interleucinas, principalmente IL1 FEBRE,NÁUSEAS, VÓMITOS, DIARREIA, CHOQUE TÓXICO, MORTE Staphylococcus aureus – enterotoxina, TSST-1 Streptococcus pyogenes -Toxina eritrogénica Superantigénios que danificam a membrana celular de células dos capilares sanguíneos sob a pele. Geram exantema • Choque sético Febre; Coagulação intravascular disseminada Ligação do LPS à CD14 e transdução de sinais por meio dos TLRs -TLR4 Estratégias para captação de nutrientes Sideróforos→ proteínas que captam o ferro ➢ Proteínas de baixo peso molecular, sintetizadas pelas bactérias em situações de necessidade (défice de ferro. ➢ As bactérias produzem um tipo ou vários tipos de sideróforos 1) Biosíntese do sideróforo 2) Exportação do sideróforo Existem 3 tipos principais de proteínas: a superfamília principal facilitadora (MFS), a superfamília “resistência, nodulação e a divisão celular” (RND) e a superfamília ABC 3) Transporte do complexo ferro-sideróforo para o citoplasma bacteriano, através de proteínas ou recetores de membrana específicos As bactérias adquirem ião férrico de várias formas: I. Ligação direta a glicoproteínas (como transferrina e lactoferrina). II. Excreção de redutases para remover ferro das glicoproteínas (Lysteria monocytogenes). III. Produção de hemolisinas para obter ferro da hemoglobina livre. O ferro também ativa fatores de virulência, como toxinas, adesinas e invasinas. • As bactérias produzem hemolisinas, que rompem hemácias, liberando hemoglobina (Hb). Mesmo que a hemoglobina seja protegida pela haptoglobina (Hp), o ferro presente no heme pode ser captado pelas bactérias. • As bactérias secretam sideróforos, moléculas especializadas em sequestrar ferro das proteínas transportadoras, como transferrina (Tf) e lactoferrina (Lf), no corpo hospedeiro. • Neutrófilos do sistema imune liberam lipocalina, uma proteína que captura sideróforos bacterianos, dificultando a absorção de ferro pelas bactérias. • Certas bactérias usam sideróforos específicos, como o 2,5-DHBA, para captar ferro de forma eficiente nos mamíferos. Bactérias utilizam sideróforos para captar ferro do ambiente, essencial para vários processos biológicos. Na sua forma natural, o ferro está no estado trivalente (Fe³⁺), e é insolúvel, dificultando a sua disponibilidade para organismos vivos. Os sideróforos são moléculas especializadas que se ligam ao ferro trivalente, formando complexos ferro-sideróforo. 1. Biossíntese do sideróforo: As bactérias produzem sideróforos que são secretados no ambiente para captar ferro. 2. Exportação e captação do complexo: Uma vez ligado ao ferro, o complexo ferro- sideróforo é reconhecido por proteínas específicas na membrana externa da bactéria. Este complexo é então transportado para o espaço periplásmico e posteriormente para o citoplasma através de transportadores específicos (como transportadores ABC). 3. Libertação e utilização do ferro: No citoplasma, o ferro é libertado do complexo, sendo reduzido para o estado bivalente (Fe²⁺), que é a forma utilizável pela bactéria para processos celulares essenciais. • No sistema imune do hospedeiro, o ferro intracelular é regulado pela ferroportina e pela proteína NRAMP1. A hepcidina, um hormônio liberado pelo hospedeiro, controla os níveis de ferro, limitando a sua disponibilidade para as bactérias. Esses processos ilustram a complexa interação e "batalha" bioquímica pelo ferro, onde tanto o hospedeiro quanto a bactéria usam estratégias sofisticadas para assegurar o acesso a esse nutriente essencial. Artificial Siderophores with a Trihydroxamate-DOTAM Scaffold Deliver Iron and Antibiotic Cargo into the Bacterial Pathogen Escherichia coli Evasão Das Defesas Do Hospedeiro Estratégia Antifagocitária Variação Antigénica ❖ A variabilidade antigénica é um mecanismo importante que as bactérias patogénicas utilizam para evitar a atividade neutralizante dos anticorpos. o variação dos antigénios fimbriais Neisseria gonorrhoeae o variação dos antigénios ao longo da infecção Borrelia recurrentis o variação dos antigénios entre as diferentes estirpes de uma espécie bacteriana Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Salmonella Inibição Do Sistema Complemento A. Recrutamento de proteínas reguladoras Fagocitose Anticorpos IgG Sistema complemento Variação antigénica Inibição da ingestão pelas células fagocitárias •Cápsula (antigénios polissacarídicos de superfície de grande peso molecular) •Revestimento semelhante a uma cápsula (proteínas ou polipéptidos)- Streptococcus do grupo A (ácido hialurónico) e o Bacillus anthracis. •Staphylococcus aureus - produz coagulase que cobre a parede bacteriana com fibrina •proteína M do Streptococcus do Grupo A •slime produzido pela Pseudomonas aeruginosa •atg O associado ao LPS e atg K na Escherichia coli •atg Vi na Salmonella typhi •proteína A no Staphylococcus aureus bloqueia a ligação ao atc por competição com a região Fc das IgG Lise das células fagocitárias •Certas bactérias produzem moléculas como hemolisinas, leucocidinas e exotoxinas que destroem células fagocitárias e inibem a resposta imune: • Hemolisinas estafilocócicas: inibem a quimiotaxia e destroem macrófagos. • Exotoxina A da Pseudomonas aeruginosa: afeta células fagocitárias. • Estreptolisina O (S. pyogenes): liga-se ao colesterol das membranas dos fagócitos, promovendo desgranulação e libertação de compostos tóxicos no citoplasma, danificando a célula. Inibição da formação do fagolisossoma •Mycobacterium tuberculosis (secreção de cloreto de amónia), Salmonella enterica Libertação do fagossoma por ação enzimática •Listeria monocytogenes (listeriolisina O) •Rickettsia (fosfolipases A) Resistência aos constituintes lisossomais •Bactérias intracelulares (como Mycobacterium e Brucella) resistem devido a componentes hidrofóbicos, como ácidos micólicos e LPS. •Bactérias extracelulares (como Salmonella, E. coli e Bacillus anthracis) utilizam cápsulas, membranas externas ou produção de sideróforos para sobreviver dentro do fagolissossoma Neisseria gonorrheae e o Haemophilus sequestram o ácido siálico do hospedeiro, facilitando o recrutamento da proteína H Inibe a formação da C3 convertase da via alternativa através de sua ligação a C3b, impedindo o acoplamento do fator B→ cria bloqueio na cascata de ativação B. Mimetismo molecular Staphylococcus aureus produz proteínas que inibe a formação da C3 convertase. Proteína estafilocócica inibidora do complemento (SCIN) – estabiliza C4bC2a e C3bBb, C3 convertase das vias clássica e da lectina e da via alternativa, respetivamente, resultando na inibição da formação de C3b LIGAÇÃO À REGIÃO FC DA IgG ➢ Proteína A estafilocócica (SpA) – liga-se às regiões Fc de IgG e adquire a capacidade de cobrir a superfície bacteriana com anticorpos não- específicos (na orientação errada), fornecendo disfarce imunológico e interrompendo a opsonização e a captação fagocitária ➢ Proteína G Streptococcus Fatores de virulência E. coli uropatogénica Staphylococcus aureus Streptococcus grupo A Pseudomonas aeruginosa Escherichia coli produz uma proteína semelhante à C1 INH, que inibe a ativação do complexo C1. Inibe a atividade proteolítica de C1r e C1s